人工濕地（SEEP）中重要微生物基因的分布

宋成+安德烈歐格母

摘 要：該論文旨在調(diào)查人工濕地SEEP的生態(tài)效益和影響。SEEP是與蓄水池相關(guān)的雨水生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目的簡稱。該蓄水池具有不可否認(rèn)的價(jià)值，但是卻長期被人們忽視。經(jīng)過集中調(diào)查研究之后，發(fā)現(xiàn)這和整個(gè)環(huán)境具有聯(lián)系。例如，（1）產(chǎn)生數(shù)噸溫室氣體。（2）處理受污染的水源，例如從水中清除N和P資源。（3）關(guān)于碳、氮和硫循環(huán)的其他生態(tài)有利影響。因此，非常值得探索其功能并建立對(duì)濕地功能非常重要的基因分布基準(zhǔn)線。該文通過使用DNA提取和PCR技術(shù)對(duì)SEEP中每個(gè)區(qū)劃的不同基因種類（例如，dsrB、mcrA、nirK、nirS和amoA基因）進(jìn)行了研究并將在此進(jìn)行報(bào)告。

關(guān)鍵詞：SEEP ?人工濕地 ?dsrB基因 ?mcrA基因 ?nirK ?nirS基因和amoA基因

中圖分類號(hào)：X17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（a）-0119-03

濕地是一片無論是永久性還是季節(jié)性都充滿水的區(qū)域，因此總是呈現(xiàn)出明顯的生態(tài)系統(tǒng)特征。濕地與陸地最重要的區(qū)別就是濕地有還原性土壤，支持水生植物生長。

由于濕地對(duì)動(dòng)植物和人類有至關(guān)重要的好處，成千上萬的生態(tài)學(xué)家對(duì)濕地進(jìn)行了無數(shù)次研究，即使人們過去認(rèn)為濕地毫無用處，但是現(xiàn)在人們對(duì)該系統(tǒng)優(yōu)勢的認(rèn)識(shí)正處于熱火朝天的趨勢。濕地巨大的、不可或缺的價(jià)值包括：

（1）具有商業(yè)價(jià)值的魚類棲息地。

（2）地下水補(bǔ)給。

（3）休閑機(jī)會(huì)，例如療養(yǎng)。

（4）美學(xué)價(jià)值。

（5）改善水質(zhì)。

（6）厭氧區(qū)域的研究價(jià)值。

在地球上，有幾種微生物對(duì)碳循環(huán)、氮循環(huán)和硫循環(huán)相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)具有重要的作用。

至于碳循環(huán)，濕地可以作為蓄水池儲(chǔ)存非完全氧化碳源或產(chǎn)生甲烷和其他溫室氣體。

硫酸鹽還原菌（SRB）可以對(duì)重金屬的直接和間接降解進(jìn)行調(diào)解并有助于有機(jī)污染物進(jìn)行生物降解（3）。因此，使用這些細(xì)菌處理徑流水非常有利。SRB還可以將硫酸鹽異化作用和異養(yǎng)碳降解或二氧化碳固定進(jìn)行結(jié)合，碳酸鹽還原會(huì)直接影響濕地中的碳循環(huán)（17）。對(duì)于我的項(xiàng)目來說，我將更加關(guān)注相關(guān)基因的相對(duì)豐度。在這些細(xì)菌中所發(fā)現(xiàn)的普通基因是dsrB（異化酸性亞硫酸鹽還原酶）基因。我將通過對(duì)比這種基因的濃度發(fā)現(xiàn)人工濕地的特殊功能。至于其他功能，他們對(duì)產(chǎn)甲烷的降解途徑所涉及的含微生物的酶作用物的競爭非常有利（4）。這意味著這些含dsrB基因的細(xì)菌也可能參與了產(chǎn)甲烷菌作用。關(guān)于濕地甲烷通量的硫酸鹽還原作用在將來有望進(jìn)一步擴(kuò)展。

產(chǎn)甲烷菌是地球碳循環(huán)過程中的一種必要成分。他們可以在使用氫進(jìn)行二氧化碳降解或轉(zhuǎn)移甲基化混合物之前進(jìn)行厭氧催化產(chǎn)生甲烷。有一種酶能夠刺激受輔酶-M（被稱為甲基輔酶-M還原酶（MCR））束縛的甲基還原。這種酶能夠調(diào)節(jié)甲烷產(chǎn)生路徑中的目標(biāo)過程（10）。在特定環(huán)境中，例如高pH或高溫環(huán)境，人們認(rèn)為這種受產(chǎn)甲烷菌支配的酶種類繁多。這個(gè)因素可能影響濕地SEEP的生態(tài)系統(tǒng)（2、10、）。所以，我只選取了mcrA基因作為本項(xiàng)目的目標(biāo)基因，調(diào)查是否任何區(qū)劃都能產(chǎn)生與其他循環(huán)和生物作用相結(jié)合的甲烷。

至于氮循環(huán)，由于濕地近似于還原環(huán)境，用于處理受污染的城市徑流水，因此我選取了脫氮菌作為研究目標(biāo)。這指的是水中氮源的降解?，F(xiàn)在也有一些詳細(xì)說明脫氮作用基因的論文。我選取了nirK和nirS（亞硝酸還原酶）基因進(jìn)行試驗(yàn)。脫氮是一種厭氧過程，因?yàn)槲覀冃枰銐虻乃采w土壤。這個(gè)過程也結(jié)合了其他循環(huán)。

最后一種我所感興趣的基因就是amoA（氨單加氧酶）基因。這種基因在濕地中不容易發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楹羞@種基因的微生物通常生活在含氧環(huán)境中。其他科學(xué)家已經(jīng)提純出了一種將單加氧酶特有遺傳密碼編入亞硝酸單胞菌物種中的特殊縮多氨酸，并且我可以從其他論文中獲取這些內(nèi)容（8）。這些細(xì)菌可以調(diào)解硝化作用中的一個(gè)非常重要的步驟（6）并參與甲烷和一氧化碳循環(huán)過程（8、9和10）。除此之外，他們還降解有機(jī)物，減少臭味（6）。我們最近發(fā)現(xiàn)越來越多的環(huán)境科學(xué)家在進(jìn)行厭氧環(huán)境中微生物的研究（9）。這也是選擇這種基因的最重要的原因。

1 研究方向

雨水生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目（SEEP）開始于1995年，用于在自然區(qū)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)室（NATL）范圍中其所在地內(nèi)的研究和教育。從根本上說，這是一個(gè)人工濕地，用于處理污染水并在深貯水池中存儲(chǔ)淡水。

雨水徑流指大暴雨時(shí)或之后從土地中流走的水。這種徑流會(huì)造成大量污染物流入河流、湖泊或土壤下方的地下水中。在暴雨中流走的污染物的類型和來源包括：重金屬、懸浮體、氯化物和其他化學(xué)成分，例如碳?xì)浠衔铮?）。這些污染物會(huì)極大地影響水體的質(zhì)量和相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)。在城市化地區(qū)（例如，大都市），每天都會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物，如垃圾、油料和重金屬。這些污染物污染了水下的土壤。這些土壤通過生物富集會(huì)對(duì)人類或其他動(dòng)物產(chǎn)生不利影響。SEEP能夠收集一些城市地區(qū)的暴雨徑流水，緩慢排放，從而減少洪水泛濫的可能性，因此SEEP在處理這個(gè)問題方面起到了至關(guān)重要的作用。

這也是一個(gè)管理計(jì)劃，在佛羅里達(dá)大學(xué)自然區(qū)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)室（NATL）所在地增加一個(gè)雨水貯留池進(jìn)行生物多樣性研究（盡管所列物種相對(duì)于自然濕地來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠），同時(shí)優(yōu)化貯水池在研究和教育方面的用途。淡水濕地也在產(chǎn)生優(yōu)先的溫室氣體甲烷和其他碳化氣水源，但是淡水濕地同時(shí)又起到了碳沉積作用（10）。濕地中的水下環(huán)境是厭氧的，因此一些濕地促使或幫助厭氧生物存活下來，并通過提供充足的養(yǎng)分使它們發(fā)揮作用。這是指產(chǎn)生甲烷和一些發(fā)酵產(chǎn)物，例如丙酸鹽、丁酸鹽、醋酸鹽和酵類。

SEEP可分為三個(gè)區(qū)域：（1）單元I，即前池，其作用是對(duì)受污染最嚴(yán)重的雨水進(jìn)行預(yù)處理，（2）單元II，其作用是對(duì)受污染比較嚴(yán)重的雨水渠進(jìn)行二線處理，（3）單元III，這是深淡水池的所在地。endprint

本研究旨在找到適用于氮循環(huán)（對(duì)氨單加氧酶進(jìn)行編碼）、硫循環(huán)（硫酸鹽還原）和碳循環(huán)（甲烷產(chǎn)生和甲烷氧化）的基因。

根據(jù)佛羅里達(dá)大學(xué)環(huán)境保護(hù)研究委員會(huì)2005-2015年總體綜合規(guī)劃，盡管已經(jīng)證明了SEEP多方面的好處，但是還未充分了解潛在危害徑流的影響，因此需要進(jìn)一步研究?？偠灾磥硌芯恐谐錆M挑戰(zhàn)，這也是我選擇將其作為畢業(yè)論文題目的原因。我所需要完成的就是提供一個(gè)SEEP的輪廓框架，說明某些微生物中基因相對(duì)豐度分布。從而使本論文對(duì)將來其他進(jìn)一步的研究起到引導(dǎo)作用。

2 研究目的

該論文的目的是繪制出SEEP在這些方面的整體框架。

2.1 碳循環(huán)

SEEP不同區(qū)劃中參與碳循環(huán)的基因的相對(duì)濃度。

2.2 硫循環(huán)

SEEP不同區(qū)劃中參與硫循環(huán)的基因的相對(duì)濃度。

2.3 氮循環(huán)

SEEP不同區(qū)劃中參與氮循環(huán)的基因的相對(duì)濃度。

3 研究假設(shè)

這個(gè)區(qū)域可能存在各種各樣的氮化物，例如，含有amoA基因的亞硝酸單胞菌只能在含氧環(huán)境中生存，我認(rèn)為amoA基因的濃度應(yīng)該從T1降低到DM1，或者根本沒有amoA基因。

我應(yīng)該在所有區(qū)域都找到mcrA基因。用于SM1和SM2都屬于厭氧環(huán)境，因此在其中應(yīng)該能找到大量mcrA基因。一些細(xì)菌群可以和其他厭氧菌一起生存，是因?yàn)樗麄冃枰脜捬蹙?，從厭氧菌中獲得發(fā)酵產(chǎn)物存活下去。

至于dsrB基因，所有區(qū)域應(yīng)該都含有。

在所有區(qū)域（除B1和B2以外）都能找到脫氮原核生物，因?yàn)檫@些種類的細(xì)菌需要厭氧環(huán)境，例如水下土壤。相關(guān)基因有nirK和nirS。

4 材料和方法

4.1 采樣

這次采樣之旅的帶頭人是Clark博士、Alex Rozin、Elise Morison和濕地俱樂部的學(xué)生。我們從2013年10月20日開始搜集材料。所需要的工具包括去心器、容器、過濾器、活塞、刀子、袋子、冷干冰、樣品勺、記號(hào)筆、數(shù)據(jù)表、鉛筆、帶夾子的寫字板、地圖、水桶、木槌和手套。我們起初需要將去心器埋入土壤，然后取出來。我們有一個(gè)活塞用來將有機(jī)質(zhì)土壤從去心器中擠到一個(gè)有刻度的容器中。最終將土壤轉(zhuǎn)移到塑料袋中，充分混合。之后，再次重復(fù)，挖出更深層的土壤。通過土壤顏色就很容易區(qū)分礦質(zhì)土壤和有機(jī)土壤。有機(jī)土壤的顏色深，但是礦質(zhì)土壤的顏色十分淺。我們只需要有機(jī)土壤。

我們有11個(gè)區(qū)域。我們從每個(gè)區(qū)域收集了3份土壤樣品，我們貼上了X-1、X-2和X-3標(biāo)簽（例如T-1，我們有T1-1、T1-2和T1-3），而DM1，我們只收集了一份樣品。對(duì)于深度，每個(gè)核心由于其所含的有機(jī)物質(zhì)量不同而有很大的差異，我們從T1-3中收集了2個(gè)深度范圍。一個(gè)是0～2 cm;另一個(gè)是2～16 cm。但是對(duì)于T2-3，我們所收集的范圍是0～2 cm和2～7 cm。收集樣品之后，我們將其儲(chǔ)存在了-80℃的冷凍箱中。除非深度在0～2 cm，否則收集不到礦質(zhì)土壤。（我們有了有機(jī)質(zhì)深度的數(shù)據(jù)，在0～2 cm深度范圍，這些有機(jī)質(zhì)樣品有一些礦質(zhì)土壤）

在進(jìn)行DNA提取之前，第一步是在研缽中將液氮用槌磨碎，磨得越碎越好。然后將土壤樣品變成粉末。

4.2 DNA提取

使用PowerSoil DNA Isolation Kit進(jìn)行DNA提取。附件A中列出了更加詳細(xì)的信息。

下列步驟是通過凝膠電泳檢查結(jié)果。對(duì)于這個(gè)過程，我先制作了一瓶凝膠。凝膠的配方如下：

（1）找到一個(gè)合適的瓶子。

（2）稱3g瓊脂糖凝膠。

（3）將所稱的瓊脂糖凝膠添加到瓶子中。

（4）添加200 mL TAE（0.5倍）。

（5）加熱，直到所有固體溶化。

（6）添加2.5 μL/200 mL溴化乙錠。

然后，我需要等凝膠冷卻，準(zhǔn)備運(yùn)行電泳。等到凝膠變得有一點(diǎn)熱的時(shí)候，將凝膠倒入容器中并添加0.5倍TAE緩沖。將電泳機(jī)器調(diào)整到120 V并運(yùn)行20 min。之后，我將凝膠取出，放到紫外光下進(jìn)行曝光，然后查看結(jié)果。

4.3 聚合酵素鏈鎖反應(yīng)

聚合酶鏈反應(yīng)擴(kuò)大我所需要的基因。附件B中列出了聚合酶鏈反應(yīng)試驗(yàn)計(jì)劃的詳細(xì)內(nèi)容。為了證實(shí)不是由于含有目標(biāo)DNA的緩沖池或試劑導(dǎo)致擴(kuò)大，需要一份陰性PCR對(duì)照樣品。陰性對(duì)照僅包括自分解水、引子和Gotaqs（使用水取代DNA）。

同時(shí)，還需要進(jìn)行陽性對(duì)照。以下是進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)陽性對(duì)照的步驟（只選了dsrB基因作為例子）。

（1）從Elise（我們實(shí)驗(yàn)室的一名博士研究生）處獲得LB KAN盤，加熱到37 ℃。

（2）使用活化環(huán)從Elise的4盤中記錄dsrB克隆數(shù)76。

（3）將克隆品放到LB KAN盤上，并使用曲棍使其散開。（LB KAN是含有抗菌卡那霉素的培養(yǎng)基，將1 mL備用卡那霉素添加到1L熱壓處理過的LB瓊脂中而得到）。

（4）放在37 ℃環(huán)境中培養(yǎng)2 d。

（5）取出Elise的LB KAN液體培養(yǎng)基，取出500 μL液體培養(yǎng)基，用移液器吸到盤子上，將生物質(zhì)擦除，讓他們懸浮在500 μL液體培養(yǎng)基中。使用2轉(zhuǎn)每分鐘的速度分離10 min。

（6）至于下列步驟，請參見QIAprep Spin Mini Prep Kit（目錄冊# 27104）。

最后一步是為了檢查標(biāo)準(zhǔn)dsrB基因的濃度。城市徑流水從T1流向DM1，從未處理的水變成干凈淡水。T2是另一個(gè)處理受污染水的區(qū)劃，但是有一個(gè)截水溝阻止了水從T2流向DM1。但是，邊緣很少涉及到這個(gè)系統(tǒng)。市徑流水從T1流向DM1，從未處理的水變成干凈淡水。T2是另一個(gè)處理受污染水的區(qū)劃，但是有一個(gè)截水溝阻止了水從T2流向DM1。但是，邊緣很少涉及到這個(gè)系統(tǒng)。城市徑流水從T1流向DM1，從未處理的水變成干凈淡水。T2是另一個(gè)處理受污染水的區(qū)劃，但是有一個(gè)截水溝阻止了水從T2流向DM1。但是，邊緣很少涉及到這個(gè)系統(tǒng)。城市徑流水從T1流向DM1，從未處理的水變成干凈淡水。T2是另一個(gè)處理受污染水的區(qū)劃，但是有一個(gè)截水溝阻止了水從T2流向DM1。但是，邊緣很少涉及到這個(gè)系統(tǒng)。城市徑流水從T1流向DM1，從未處理的水變成干凈淡水。T2是另一個(gè)處理受污染水的區(qū)劃，但是有一個(gè)截水溝阻止了水從T2流向DM1。但是，邊緣很少涉及到這個(gè)系統(tǒng)。endprint

5 結(jié)語

采樣可能存在一些問題。從結(jié)果來看，對(duì)于每個(gè)基因聚合酶鏈反應(yīng)過程，每個(gè)區(qū)劃的3個(gè)復(fù)制品的環(huán)境應(yīng)該幾乎一樣。但很明顯，情況并不是這樣。我從Elise處得知，一些樣品不是從潮濕土壤中獲得的。由于是自然系統(tǒng)，這當(dāng)然可以理解。在單個(gè)位置，不同的采樣位置之間也是各不相同的。這種變量并不意外。因此，我選擇計(jì)算平均值，取得更好、更合理的結(jié)果。

至于DNA提取產(chǎn)物，我們可以發(fā)現(xiàn)，我是從所有區(qū)劃中獲得DNA的，因此我可以繼續(xù)下列聚合酶鏈反應(yīng)過程。在他們所包含的有機(jī)物中他們的濃度各不相同。我僅對(duì)需要進(jìn)一步試驗(yàn)的區(qū)劃的幾個(gè)DNA運(yùn)行了電泳。DNA的數(shù)量能夠反映出有多少有機(jī)物。即使對(duì)于相同深度，即0～2 cm，我們發(fā)現(xiàn)他們的有機(jī)物豐度也是不同的。由于有氧環(huán)境的消費(fèi)率比厭氧環(huán)境的消費(fèi)率高，因此厭氧環(huán)境DNA平均質(zhì)量高于有氧環(huán)境DNA平均質(zhì)量。他們可以被完全氧化，但是卻無法積累足夠的有機(jī)物。我只在dsrB基因中遇到了一些污染物問題，但是相對(duì)于陽性對(duì)照和樣品來講，這些污染物微不足道。

dsrB基因的結(jié)果是合理的。我們看到T1的dsrB基因豐度最大，緊接著是T2等。這非常適合將城市徑流水沖干凈。含有這種基因的微生物能夠降解受污染水中的硫化源。減少細(xì)菌的亞硫酸鹽所需的環(huán)境非常復(fù)雜。這種環(huán)境可能是浸水也可能是水流波動(dòng)。他們還能和其他細(xì)菌（例如，產(chǎn)甲烷菌）互養(yǎng)，這樣產(chǎn)甲烷菌可以利用這些非完全氧化碳源或氫產(chǎn)生甲烷。很明顯，mcrA基因能和dsrB基因結(jié)合主要是為了互養(yǎng)。含有mcrA基因的細(xì)菌或古生菌需要持續(xù)的浸水狀態(tài)，這就意味著完全缺氧環(huán)境。根據(jù)每個(gè)區(qū)劃的水深，我所獲得的結(jié)果是可以理解的。SM1和E2非常接近深水沼澤DM1。因此，他們也需要大量mcrA基因。

NirS和nirK微生物更喜歡波動(dòng)的浸水環(huán)境，例如SM1和SM2。

盡管NirS基因和nirK基因的作用幾乎是一樣的，但是NirS基因的豐度低于nirK基因的豐度。SEEP中種類各異的脫氮物種可以解釋這種情況。一些物種的nirK基因可能比NirS基因多。

amoA基因的結(jié)果似乎比較復(fù)雜，但是我從另一篇論文中了解到了amoA基因的正確序列和尺寸（10）。由于不同區(qū)劃擁有不同類別的化學(xué)無機(jī)營養(yǎng)氨氧化菌，我因此得出我的結(jié)果是有意義的。這也是這些波段的主要原因。非常有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)即使在深沼澤處也有大量amoA基因。下面就是對(duì)此的解釋。在深沼澤處，有一種植物擁有通氣組織。這種植物組織能夠?qū)⑼獠康难鮽魉偷礁恐車@樣一些蓄養(yǎng)細(xì)菌就可以在這個(gè)地方生長。因此，DM1的amoA基因濃度高也就可以理解了。其作用和擁有高濃度的C2相同。

這些基因可以組成一個(gè)很長的濕地生物鏈。在深土壤地帶，薄壁組織可以傳送氧，并將氧提供給氨氧化菌。氨氧化菌會(huì)將氨鹽基轉(zhuǎn)化成硝酸鹽并將其釋放到周圍的土壤中。大多數(shù)地點(diǎn)都是厭氧的，并遠(yuǎn)離植物根部。這些脫氧菌會(huì)通過將硝酸鹽轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽（NO3andNO2）而獲得養(yǎng)分。他們還能和產(chǎn)甲烷菌結(jié)合。這些細(xì)菌在獲取養(yǎng)分時(shí)，他們還能去除水中氮物質(zhì)。

我的SM1-1土壤樣品仍然沒有獲得基因聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增的結(jié)果。這也是有可能的，因?yàn)樵摌悠分幸恍┮种埔蜃咏M織了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增，例如Taq聚合酶抑制劑。

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